ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в радиолокационных, радионавигационных и информационных системах, а также в измерительной технике.

Известны устройства для измерения разности фаз двух сигналов, основанных на сравнении измеряемой фазы с эталонной и представлении конечных результатов в виде двоичного кода.

Общим недостатком указанных устройств является функциональная сложность, наличие большого числа элементов и необходимость дошифровки конечных результатов.

Наиболее близким по технической сути к заявленному устройству является цифровой фазометр, положительным элементом которого является поразрядное сравнение измеряемой фазы с эталонными значениями. Однако при этом конечные результаты замеров получаются в ходе нескольких тактов последовательных приближений, а сам результат - в виде кодовой последовательности Джонсона, требующей дополнительного преобразования этого кода в нормальный двоичный код.

Целью изобретения является упрощение устройства и получение измерений непосредственно в параллельном двоичном коде.

Поставленная цель достигается тем, что измеряемая фаза сравнивается с эталонной фазовой последовательностью, образующей убывающую геометрическую прогрессию с показателем, равным 1/2, первый и последний члены которой равны соответственно -π и , где n - число фазовращателей постоянного сдвига, и одновременно разрядность измеряемой величины. При измерении производится последовательное сравнение и поразрядное вычитание из измеряемой фазы эталонной и запись в выходной регистр результатов в виде двоичного кода.

Для достижения поставленной цели в n- разрядный цифровой фазометр, содержащий генератор опорного напряжения, выходной регистр, n компараторов, n фазовых детекторов и 2n фазовращателей постоянного сдвига, включены n электронных коммутаторов. При этом: 2 n-1 фазовращателей образуют две идентичных группы последовательностей, в каждой из которых сдвиг фазы убывает (по модулю) от предыдущего фазовращателя к последующему в два раза, начиная от -π до и .

При этом все входы фазовращателей первой группы из n фазовращателей соединены с источником измеряемой фазы, а их выходы подсоединены к соответствующим, в порядке убывания вносимого ими фазового сдвига, первым входом фазовых детекторов.

Каждый фазовращатель из (n-1) второй фазосдвигающей последовательности включен через электронный коммутатор между вторыми входами каждой соседней пары фазовых детекторов. Через вторые входы электронных коммутаторов вторые входы этих же фазовых детекторов соединены напрямую. Выход каждого фазового детектора (ф/д) соединен с входом соответствующего компаратора, выход которого соединен с соответствующим разрядным входом выходного регистра и с соответствующим управляющим входом электронного коммутатора. Второй вход ф/д, к которому подключен фазовращатель (ф/в) с максимальным сдвигом N, подключен также к выходу генератора опорного сигнала и к входу источника измеряемого фазового сдвига.

Главным признаком новизны предлагаемого технического решения, по мнению заявителя, является применение в качестве эталона фазовой последовательности, каждый из членов которой по величине соответствует определенному разряду двоичного числа, в целом определяющего величину измеряемой фазы, а также использование ф/д для выработки управляющего сигнала при выполнении необходимых операций над измеряемой фазой.

Указанные признаки, по сравнению с известными автору техническими решениями, являются также и существенными.

На чертеже изображена структурная схема заявленного устройства.

Предложенный фазометр содержит: генератор опорного напряжения 1, в сигнал от которого от источника 2 вносится измеряемый фазовый сдвиг, n фазовых детекторов 3, подсоединенных своими выходами к соответствующим компараторам 4, а своими входами соединенными: с одной стороны - к выходам электронных коммутаторов (э/к) 5, а с другой - к фазовращателям постоянного сдвига 6, образующих первую фазосдвигающую последовательность где ф/в (6n) имеет максимальный фазовый сдвиг, равный -π. Вторую, аналогичную фазосдвигающую последовательность образуют ф/в 7, расположенные аналогично послед. 6. Выходы компараторов 4 являются одновременно соответствующими разрядными входами выходного регистра 8.

Устройство работает следующим образом.

Опорный сигнал от генератора 1 проходит через источник фазового сдвига 2, вносимый которым фазовый сдвиг ϕнеобходимо измерить.

От 2 сигнал f_o^ϕ одновременно поступает на ф/в 6, на которых фаза сигнала f_o^ϕ претерпевает фазовый сдвиг, величина которого, равна на ф/в (6n)-π, на следующих ф/в по модулю последовательно убывает, уменьшаясь каждый раз вдвое. Таким образом, через ф/в (6n) на первый вход ф/д (3n) поступает сигнал с фазой ϕ-π. На второй вход этого же ф/д поступает опорный сигнал f_o^o с нулевым фазовым сдвигом. Характеристика ф/д подбирается так, что в случае, если соотношение ϕ-π≥0 (I) имеет место, на выходе ф/д вырабатывается положительный потенциал. В том случае, когда выполняется соотношение ϕ-π<0, (II) на выходе ф/д (6n) вырабатывается отрицательный потенциал.

Случай (I) означает, что измеряемое значение ϕ≥π, т. е. величина больше численного значения старшего разряда того двоичного числа, которое определит величину измеренной фазы ϕ. За это численное значение старшего разряда мы приняли половину периода опорной частоты, т. е. 2 π/2-π ; 2) положительный потенциал на выходе 3 приводит к появлению на выходе компаратора 4 положительного перепада напряжения, которое подается на вход старшего разряда выходного регистра 8 и приводит к записи в нем "1". Одновременно + потенциал 4 подается на управляющий вход электронного коммутатора 5 следующего каскада (разряда), что приводит к подключению в цепь подачи опорного сигнала f_o^oф/в (7n), который вносит в опорную фазу "0" отрицательный сдвиг -π , что эквивалентно операции вычитания из первоначального значения измеряемой фазы ϕ величины π, и поскольку в нашем случае ϕ-π≥0, мы можем рассматривать величину ϕ-π как некоторый положительный остаток, величина которого определится следующими разрядами фазометра. Действительно теперь анализируемая разность фаз на ф/д 3n-1 будет складываться из значений -π/2, поданной с выхода 6n-1 и ϕ-π- с выхода 5. Знак напряжения на выходе 3n-1 будет зависеть от выполнения одного из неравенств
ϕ- π - π/2 ≥ 0 (III)
ϕ- π - π/2 < 0 (IV),
в которых + остаток ϕ-π сравнивается теперь с численным значением (n-1)-го разряда, т. е. с величиной -π/2. Результаты сравнения, определяемые знаком выходного напряжения (3n-1), приводят к последующему подключению (или неподключению) ф/в 7 очередных каскадов, в зависимости от знака выходного напряжения на том или ином ф/д 3. Появление же на выходе того или иного ф/д отрицательного потенциала означает, что сравниваемое в данном разряде значение величины ϕ или его положительного остатка, меньше численного значения данного разряда, и измеряемая величина ϕ или ее остаток, переносятся без изменения для сравнения со следующим, более младшим разрядом, при этом каждый раз, при появлении на выходах ф/д отрицательного потенциала, на выходах соответствующих компараторов 4 также появляется отрицательный перепад, что приводит к записи в соответствующие разряды выходного регистра 8 символа "0". Процесс измерения фазы ϕ заканчивается после получения результата в последнем по значимости, младшем разряде выходного регистра 8, цена которого определяется величиной
Δϕ = 2π/(2ⁿ) = π/(2^n-1). (V)
Считывание результатов измерения фазы ϕ производится в параллельном двоичном коде с тактовой частотой F_т , при этом величина Т_т= 1/F_т должна выбираться из условия Т_т ≥ t_изм, где t_изм - максимально затрачиваемое время на измерение фазы.

Предлагаемое устройство, по сравнению с базовым, обладает следующим положительным эффектом: позволяет существенно сократить число необходимых функциональных связей внутри устройства, также число входящих в его состав узлов и блоков. Так, например, становятся ненужными следующие узлы и блоки, входящие функционально в состав прототипа: амплитудный детектор, формирователь, электронно-управляемый фазовращатель, регистр памяти, блок сравнения кодов, регистр последовательных приближений, преобразователь код - напряжение, блок управления, преобразователь кода Джонсона в двоичный код.

Предлагаемое устройство имеет ярко выраженное покаскадное построение, при этом каждый каскад по структуре идентичен другому и практически собран из однотипных элементов. Это обстоятельство делает предполагаемую конструкцию фазометра весьма технологичной и легко варьируемой, так как разрядность фазометра определяется только числом входящих в него каскадов.

Ориентировочно стоимостной и технологический выигрыш от предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, может составить не менее, чем 2-4 раза. (56) Применение интегральных схем, под. ред. Уильямса А. т. 1, М. : Мир, 1987, с. 156, фиг. 3.26.

Цифровой фазометр, АС N 1164624, 1985.

Фазометр, АС N 1114972, 1985 г.

Цифровой фазометр, патент Японии N 48-53736, 1983.

Авторское свидетельство СССР N 116.

Использование: изобретение относится к области радиолокационных, радионавигационных и информационных систем, а также в измерительной технике. Сущность изобретения: устройство содержит источники опорного и исследуемого сигналов, две фазосдвигающие цепи, содержащие по n фазовращателей 6-1-6- и 7-1-7-, величина которых последовательно уменьшается по модулю в геометрической прогрессии от π с показателем, равным 1/2, и фазовых детекторов 3, и компараторов 4, и электронных коммутаторов 5, цифровой регистр 8. 1 ил.

ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР, содержащий цифровой регистр, две идентичные фазосдвигающие цепи, содержащие по n фазовращателей, величина которых последовательно уменьшается по модулю в геометрической прогрессии от π с показателем, равным 1/2, при этом входы фазовращателей первой фазосдвигающей цепи соединены между собой и с источником исследуемого сигнала, а фазовращатели второй цепи соединены между собой последовательно, вход первого из них подключен к источнику опорного сигнала и к первому входу первого из n фазовых детекторов, вторые входы каждого из n фазовых детекторов соединены с соответствующими выходами фазовращателей первой фазосдвигающей цепи и n управляемых электронных коммутаторов, первые входы которых соединены с выходами фазовращателей второй фазосдвигающей цепи, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и быстродействия, в него введены n компараторов, выходы каждого из которых подсоединены к управляющим входам соответствующих электронных коммутаторов, соединенных выходами с первыми входами фазовых детекторов, начиная с второго, и последующего фазовращателя второй фазосдвигающей цепи, а также с соответствующим разрядом цифрового регистра.